Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира
Шрифт:
Скорость и энергия
У протонов в БАКе большая энергия, потому что они быстро мчатся – со скоростями, очень близкими к скорости света. Каждый массивный объект, человек ли это, автомобиль или протон, обладает некоторым количеством энергии даже когда он неподвижен, и, согласно формуле Эйнштейна, эта энергия покоя есть E = mc?. Но когда объект движется, он приобретает дополнительную – «кинетическую» – энергию, величина которой зависит от величины его скорости. В повседневной жизни энергия движения на много порядков меньше энергии, которую объект имеет в состоянии покоя только потому, что обычные скорости гораздо меньше скорости света.
Протоны в БАКе летят намного быстрее, чем X-43. В ходе первых экспериментов 2009–2011 годов они разгонялись до скоростей, равных 99,999996 % скорости света, или примерно 1 079 022 114 км/ч. На этих скоростях энергия движения гораздо больше энергии покоя. У протона энергия покоя чуть меньше 1 ГэВ. При первом запуске Большого адронного коллайдера были получены протоны с энергией 3500 ГэВ, или коротко 3,5 ТэВ, так что, когда два из них сталкивались, общая их энергия в момент столкновения достигала 7 ТэВ. В 2012 году при столкновении протонов была получена общая энергия 8 ТэВ. Цель же физиков – достичь 14 ТэВ. Для сравнения в Теватроне, работавшем в Фермилабе, максимальная полная энергия достигала примерно 2 ТэВ.
При скоростях, близких к скорости света, вступает в игру теория относительности. Она учит нас, что на высоких скоростях пространство и время для движущихся предметов меняются: время замедляется, а длина – вдоль направления движения – уменьшается. Как следствие, путь по кольцу длиной 26,7 км любому высокоэнергетичному протону покажется гораздо короче, если, конечно, протоны в состоянии замечать такие вещи. Для протона с энергией 4 ТэВ один виток кольца будет равным всего лишь примерно 7 м. Когда же его энергия достигнет 7 ТэВ, этот путь уменьшится до 4 м.
Что такое энергия 1 ТэВ? Не то, чтобы много – примерно такая энергия движения у летящего комара – вы и не заметите, если он столкнется с вами. Важно не то, что 4 ТэВ (или любая сравнимая с ней энергия) – большая, а то, что вся эта энергия сосредоточена в одном протоне. И помните, что в БАКе одновременно крутится 500 триллионов протонов. Если взять пучок в целом, можно уже говорить о серьезных энергиях – примерно таких же, как у мчащегося на вас локомотива. Вряд ли вам захотелось бы оказаться у него на пути.
Или все не так страшно? Хотя протоны в БАКе и собираются в большие банчи, они фокусируются в очень тонкий луч. Может, большая часть протонов пройдет сквозь вас, не причиняя вреда?
И да, и нет. Никто в БАКе никогда не ставил на пути пучка какие-нибудь части своего тела, да это и невозможно – пучки плотно закупорены в вакуумной трубе и просто так человек оказаться там не может. Но в 1978 году один несчастный советский ученый по имени Анатолий Бугорский все же умудрился подставить голову прямо под пучок высокой энергии. (Стандарты безопасности в России на протвинском синхротроне У-70 были гораздо менее строгими, чем те, что установлены сейчас в ЦЕРНе.) Энергия пучка, который пронзил Бугорского, была равна всего 76 ГэВ – существенно меньше, чем в БАКе, но тем не менее это большая энергия. Он не погиб на месте – более того, он и сегодня все еще жив. Бугорский позже рассказал, что видел вспышку света, «ярче тысячи солнц», но не почувствовал боли. У него возник радиационный рубец, он потерял слух на левое ухо, левая сторона лица вообще была парализована, и до сих пор он страдает от периодических приступов боли. Но Бугорский выжил, у него не возникло психических нарушений, он защитил кандидатскую диссертацию и в течение многих лет после инцидента продолжал работать на ускорителе. Тем не менее эксперты не рекомендуют
Причина, по которой голову Бугорского не разорвало на мелкие кусочки, в том, что многие протоны прошли сквозь ткани его головы, не провзаимодействовав с ними. А в БАКе часто встает задача обратная задача – «загасить» энергию пучков, а это значит, что нужно всю энергию пучка куда-то отвести. (Если бы просто замедлить протоны, они бы безопасно рассеялись, но это технически сложно.) Представить масштаб полной энергии пучка можно еще одним способом – найти тротиловый эквивалент. Эта величина оказывается равной примерно 80 кг в тротиловом эквиваленте, и всю эту энергию в конце каждой загрузки, то есть примерно каждые десять часов, нужно как-то гасить.
Эксперименты показали, что если пучок протонов в БАКе направить на медную болванку, его энергии будет достаточно, чтобы расплавить тонну меди. Поскольку нежелательно, чтобы эти мчащиеся пучки, случайно отклонившись, врезались в тщательно отъюстированную экспериментальную установку, предварительно ослабленный пучок отклоняют от нормальной траектории пучка специальными магнитами, затем идет расфокусировка, после чего он проходит еще около километра перед тем, как врезаться в специальной графитовый «блок сброса». Графит особенно хорошо поглощает энергию, не плавится, несмотря на то что температуры там достигают 760 °С. В таком блоке содержится в общей сложности около 10 т графита, а сам он помещен в экранирующий 1000-тонный кожух из стали и бетона. Ему требуется всего несколько часов, чтобы остыть, и вот уже все готово для гашения следующего пучка.
Мощные магниты
Мы представляем себе БАК в виде гигантского кольца длиной 26,7 км, но на самом деле он больше похож на искривленный восьмиугольник, поскольку кольцо разделено на восемь частей – восемь дуг, а концы этих дуг соединены прямыми отрезками около 2,5 км длиной. Если бы вам пришлось войти в одну из дуг туннеля БАКа, вы увидели бы ряд больших голубых труб, тянущихся в обоих направлениях. Это «дипольные магниты», которые направляют протоны по траекториям внутри пучковых труб. В каждой дуге имеется 154 трубы, и каждая из них имеет длину около 15 м и вес более 30 т. Большая часть внутреннего пространства каждой трубы занята сверхпроводящим магнитом, охлаждаемым жидким гелием, а по самому центру идут две узкие пучковые трубы, в которых движутся пучки протонов – в одной частицы движутся по часовой стрелке, в другой – против.
Если какая-либо заряженная частица, например протон, покоится в стационарном магнитном поле, она не чувствует вообще никакой силы и может там спокойно оставаться бесконечно. Но если заряженная частица летит через магнитное поле, она отклоняется от прямой линии. (Если через поле пролетит нейтральная частица, ее траектория не изменится.) Вспомним, что энергия пучка в БАКе сравнима с энергией движущегося поезда, а потому БАКу нужны невероятно мощные магниты, ведь сильно искривить траекторию протонов не так-то легко.
Мощность магнитов должна быть достаточной, чтобы обеспечить максимально возможную энергию протонов в туннеле фиксированного размера. Земля тоже имеет магнитное поле, которое позволяет с помощью стрелки компаса установить, где север, а где юг. Поле внутри каждого из дипольных магнитов БАКа примерно в 100 000 раз сильнее поля Земли, и обычные материалы для его изготовления не подходят, нужны сверхпроводники. В магнитах БАКа используется почти 8000 километров кабелей, изготовленных из сверхпроводящих материалов на базе ниобия и титана, охлаждаемых до сверхнизких температур 120 т жидкого гелия. Внутри БАКа холоднее, чем в космосе: температура магнитов ниже, чем у космического фонового излучения, сохранившегося после Большого взрыва.